Вы могли поближе познакомиться с телескопом Хаббл. А это нас ждет в ближайшем будущем!=)
Космический телескоп имени Джеймса Уэбба - орбитальная инфракрасная обсерватория, которая предположительно заменит космический телескоп «Хаббл».
Первоначально назван «Космический телескоп нового поколения». В 2002 году переименован в честь второго руководителя НАСА Джеймса Уэбба (1902-1992), возглавлявшего агентство в 1961-1968 годах.
«Джеймс Уэбб» будет обладать составным зеркалом 6,5 метров в диаметре (диаметр зеркала «Хаббла» - 2,4 метра) и солнечным щитом размером с теннисный корт.
Будет размещён в точке Лагранжа L2 системы Солнце - Земля.
Точка L2 в системе Солнце - Земля является идеальным местом для строительства орбитальных космических обсерваторий и телескопов. Поскольку объект в точке L2 способен длительное время сохранять свою ориентацию относительно Солнца и Земли, производить его экранирование и калибровку становится гораздо проще. Однако эта точка расположена немного дальше земной тени (в области полутени), так что солнечная радиация блокируется не полностью. В этой точке уже находятся аппараты американского и европейского космических агентств - WMAP, «Планк», «Гершель» и Gaia, а в 2018 должен присоединиться «Джеймс Уэбб».
Проект представляет собой международное сотрудничество 17 стран, во главе которых стоит NASA, со значительным вкладом Европейского и Канадского космических агентств.
Текущие планы предусматривают, что телескоп будет запущен с помощью ракеты «Ариан-5» в 2018 году.
Модель ракеты в музее авиации и космоса, Франция
Первичными задачами JWST являются: обнаружение света первых звёзд и галактик, сформированных после Большого взрыва, изучение формирования и развития галактик, звёзд, планетных систем и происхождения жизни. Также «Уэбб» сможет рассказать о том, когда и где началась реионизация Вселенной (период истории Вселенной между 150 млн лет и 800 млн лет после Большого Взрыва) и что её вызвало.
Телескоп должен оказаться в состоянии обнаружить относительно небольшие планеты – в несколько раз больше Земли – что не может сделать «Хаббл». Кроме того, «Вебб» будет иметь более высокую чувствительность к атмосферам близких к Земле звезд. Телескоп сможет дать снимки крупным планом планет Солнечной системы, от Марса и далее. Большая яркость Венеры и Меркурия лежит за пределами оптики телескопа.
Телескоп позволит обнаруживать относительно холодные экзопланеты с температурой поверхности до 300 К (что практически равно температуре поверхности Земли), находящиеся дальше 12 а. е. от своих звёзд, и удалённые от Земли на расстояние до 15 световых лет (в два раза дальше, чем Сириус). В зону подробного наблюдения попадут более двух десятков ближайших к Солнцу звезд. Благодаря JWST ожидается настоящий прорыв в экзопланетологии - возможностей телескопа будет достаточно не только для того, чтобы обнаруживать сами экзопланеты, но даже спутники и спектральные линии этих планет (что будет являться недостижимым показателем ни для одного наземного и орбитального телескопа вплоть до начала 2020-х годов, когда в строй будет введен Европейский чрезвычайно большой телескоп с диаметром зеркала в 39,3 м).
Изготовление оптической системы
Проблемы
Чувствительность телескопа и его разрешающая способность напрямую связаны с размером площади зеркала, которое собирает свет от объектов. Учёные и инженеры определили, что минимальный диаметр главного зеркала должен быть 6,5 метра, чтобы измерить свет от самых далёких галактик. Простое изготовление зеркала подобного зеркалу телескопа «Хаббл», но большего размера, было неприемлемо, так как его масса была бы слишком большой, чтобы можно было запустить телескоп в космос. Команде учёных и инженеров необходимо было найти решение, чтобы новое зеркало имело 1/10 массы зеркала телескопа «Хаббл» на единицу площади.
Разработка и испытания
НАСА приступили к исследованию новых способов создания зеркала для телескопа. Для этого была создана программа Advanced Mirror System Demonstrator, по сути являющаяся 4-летним сотрудничеством между НАСА, Национальным управлением военно-космической разведки США и Военно-воздушными силами США. На основе исследований были построены и испытаны два тестовых зеркала. Одно из них было сделано из бериллия компанией Ball Aerospace & Technologies, другое - построено фирмой Kodak (ныне - ITT) из специального стекла.
Зеркало «Хаббла» (слева) и «Уэбба» (справа) в одном масштабе
Группа экспертов протестировала оба зеркала, чтобы определить, насколько хорошо они выполняют свою задачу, сколько стоят и насколько легко (или трудно) было бы построить полноразмерное, 6,5-метровое зеркало. Эксперты рекомендовали зеркало из бериллия для телескопа Джеймса Уэбба по нескольким причинам, одна из которых - бериллий сохраняет свою форму при криогенных температурах. На основе рекомендаций экспертов компания Northrop Grumman выбрала зеркало из бериллия, и Центр космических полётов Годдарда утвердил это решение.
Также было решено сделать зеркало не цельным, а из сегментов, которые будут раздвинуты на орбите, так как габариты цельного зеркала не позволили бы его разместить в ракете-носителе Ариан-5. Размер каждого из 18 шестигранных сегментов зеркала составляет 1,32 метра от грани до грани, а масса сегмента - 20 кг.
Шестиугольная форма сегментов была выбрана не случайно. Она обладает высоким коэффициентом заполнения и имеет симметрию шестого порядка. Высокий коэффициент заполнения означает, что сегменты подходят друг к другу без зазоров. Симметрия же хороша тем, что нужно только 3 разные оптические настройки для 18 сегментов, 6 сегментов на каждую. Наконец, желательно, чтобы зеркало имело форму близкую к круговой для максимально компактного фокусирования света на детекторах. Овальное зеркало, например, даст вытянутое изображение, а квадратное пошлёт много света из центральной области.
После запуска и сопутствующих ему вибраций массив зеркал должен быть развернут в то, что конструкторы называют «предварительным положением». Этот процесс предполагает освобождение каждого из 18 сегментов основного зеркала от пусковых захватов. Каждый сегмент имеет компьютерное управление положением с шестью степенями свободы, кроме того, компьютер управляет выдвижением/втягиванием центральной точки каждого зеркала для изменения радиуса кривизны поверхности. Каждое зеркало обладает своей системой приводов для осуществления этих движений. После того как положение зеркал будет разблокировано, приводы должны выровнять их положение по линии «фронта волны» с допуском в 20 нанометров (1/5000 толщины волоса).
Производство
Для зеркала «Уэбба» используется особый тип бериллия. Он представляет собой мелкий порошок. Порошок помещается в контейнер из нержавеющей стали и прессуется в плоскую форму. После того как стальной контейнер удалён, кусок бериллия разрезается пополам, чтобы сделать две заготовки зеркала около 1,3 метра в поперечнике. Каждая заготовка зеркала используется для создания одного сегмента.
Процесс формирования зеркала начинается с вырезания излишков материала на оборотной стороне бериллиевой заготовки таким образом, что остаётся тонкая рёберная структура. Передняя же сторона каждой заготовки сглаживается с учётом положения сегмента в большом зеркале.
Затем поверхность каждого зеркала стачивается для придания формы близкой к расчётной. После этого зеркало тщательно сглаживают и полируют. Этот процесс повторяется до тех пор, пока форма сегмента зеркала не станет близка к идеальной. Далее сегмент охлаждается до температуры −240 °C, и с помощью лазерного интерферометра производятся измерения размеров сегмента. Затем зеркало с учётом полученной информации проходит окончательную полировку.
По завершению обработки сегмента передняя часть зеркала покрывается тонким слоем золота для лучшего отражения инфракрасного излучения в диапазоне 0,6-29 мкм, и готовый сегмент проходит повторные испытания при криогенных температурах.
Оборудование
JWST будет иметь следующие научные инструменты для проведения исследования космоса:
Камера ближнего инфракрасного диапазона (Near-Infrared Camera);
Камера ближнего инфракрасного диапазона является основным блоком формирования изображения «Уэбба» и будет состоять из массива ртутно-кадмиево-теллуровых детекторов. Рабочий диапазон прибора составляет от 0,6 до 5 мкм.
Прибор для работы в среднем диапазоне инфракрасного излучения (Mid-Infrared Instrument);
Прибор для работы в среднем диапазоне инфракрасного излучения состоит из камеры и спектрографа, которые «видят» свет в среднем диапазоне инфракрасного излучения 5-28 мкм.
Спектрограф ближнего инфракрасного диапазона (Near-Infrared Spectrograph);
Спектрограф ближнего инфракрасного диапазона будет анализировать спектр источников, что позволит получать информацию как о физических свойствах исследуемых объектов, например, температуру и массу, так и о их химическом составе. NIRSpec способен делать спектроскопию среднего разрешения в диапазоне длин волн 1-5 мкм и низкого разрешения с длиной волны 0,6-5 мкм.
Датчик точного наведения c устройством формирования изображения в ближнем инфракрасном диапазоне и бесщелевым спектрографом (Fine Guidance Sensor/Near InfraRed Imager and Slitless Spectrograph).
Если удастся удержать график постройки, то новый телескоп войдет в строй до прекращения работы космического телескопа «Хаббл». «Перспектива одновременной работы «Хаббла» и «Вебба» очень интересна, так как их возможности во многих отношениях дополняют друг друга», — говорит Джон Гарднер, Центр космических полетов имени Годдарда.
Интересный обзор фотографий собран на этом сайте!
Некоторая информация взята с сайта http://sci-lib.com
Практически сразу после запуска на орбиту телескопа «Хаббл» ученые стали готовить более продвинутое устройство, которое планировалось оснастить большим количеством функций и возможностей. Сейчас, почти двадцать лет спустя, этот проект уже реализован, а система прошла испытания и готова к работе. Речь идет об орбитальном телескопе «Джеймс Уэбб», который оснащен 6,5-метровым зеркалом. Это в два раза больше, чем у «Хаббла».
В конце прошлого года научный руководитель проекта Джон Мэтер (John Mather) заявил о том, что телескоп уже готов и вполне способен начать работу на орбите. По словам экспертов, принимающих участие в реализации проекта, новый телескоп поможет начать изучение галактик, которые удалены от Земли на миллиарды световых лет. Речь идет о возможности воспользоваться своеобразной машиной времени, наблюдая за галактиками, которые появились почти сразу после Большого Взрыва. Это поможет ученым прояснить происхождение Вселенной.
Недавние проблемы и их решение
Сборка основных зеркал телескопа была завершена еще в феврале прошлого года. Тогда агентство НАСА заявило о успешной установке последнего фрагмента. Каждый из фрагментов шестиугольной формы с массой 40 кг имеет диаметр около 1,3 м. Из фрагментов и составлено основное зеркало диаметром в 6,5 метра. Создано оно из бериллия, который покрыли золотой пленкой.
Установка зеркал производилась не людьми, а роботом - для этой цели был разработан специализированный манипулятор. На зеркале, кроме самих зеркал, ученые установили сервоприводы и распорки, которые корректируют кривизну поверхности. По словам специалистов, для того, чтобы фокусировка была точной, крепеж не может смещаться более, чем на 38 нанометров.
В ноябре прошлого года ученые начали проводить проверку зеркал - это крайне важный этап, позволявший судить о работоспособности устройства. При проведении тестов специалисты симулировали внешние факторы, которые могли бы повредить конструкцию. В первую очередь, речь идет о звуке и вибрации, генерируемые при запуске корабля - эти факторы без должного к ним внимания вполне могут вывести телескоп из строя. Вообще говоря, отправка «Джеймса Уэбба» на орбиту - сложный этап, во время которого может случиться много неприятностей, если тщательно не контролировать все составляющие процесса отправки.
«Проверка покажет, появились ли какие-либо повреждения оптической системы после проведения теста», - в свое время Ритва Кески-Куха (Ritva Keski-Kuha), глава испытаний телескопа в Центре космических полетов имени Годдарда НАСА (Goddard Space Flight Center, GSFC).
Для проверки был использован интерферометр, устройство, позволяющее определять характеристики зеркала телескопа с чрезвычайно высокой точностью. Проблема в том, что для проверки нельзя непосредственно контактировать с зеркалом, все тесты нужно выполнять удаленно. В противном случае на зеркале могут появиться микроцарапиины, что приведет к падению эффективности работы всей системы.
«Вот для чего мы проводим проверку - чтобы знать, как обстоят дела на самом деле, вместо того, чтобы предполагать», - заявил заместитель руководителя проекта Пол Гейтнер (Paul Geithner).
Интерферометр решает эту проблему. Он позволяет регистрировать мельчайшие изменения в расположении элементов сложного зеркала телескопа и характеристиках поверхности отдельных фрагментах. Интерферометр генерирует световые волны разной длины, характеристики которых после отражения зеркалом изучаются экспертами.
«Предыдущие четыре года можно назвать подготовкой к текущему тесту», - в ноябре прошлого года Дэвид Чейни, главный специалист по метрологии зеркал в Центре космических полетов Годдарда. «Мы измеряем размер главного зеркала, радиус его кривизны, фоновый шум. Наш тест настолько чувствительный, что мы фиксируем изменения в характеристиках зеркала даже тогда, когда люди говорят в помещении».
В ноябре испытания прошли гладко, проблем не было выявлено. Но вот в начале декабря акселерометры, которые были подключены к телескопу, уловили некие аномалии во время прохождения устройством вибрационных тестов. Ученые провели низкоуровневые вибрационные тесты, сравнивая полученные данные с теми, что передавались датчиками до появления аномалии. После того, как была выявлена проблема, тест автоматически прекратился для защиты аппаратной части устройства. Ученые в очередной раз изучили телескоп, но не нашли никаких отклонений.
В конце декабря представители НАСА заявили о том, что в приборах и прочих компонентах системы не найдено проблем. Выполнялся как визуальный осмотр, так и анализ снимков устройства в ультрафиолетовом излучении. Кроме того, было проведено два дополнительных вибрационных низкоуровневых тестов, которые также не выявили проблем с телескопом «Джеймс Уэбб». Подробнее о тестировании можно узнать из документа , подготовленного специалистами НАСА.
В декабре же Джон Мэтер сообщил о том, что участники проекта ожидают успешного прохождения телескопом всех необходимых тестов. При этом агентство планирует задействовать любые доступные методы предосторожности для того, чтобы обеспечить удачный вывод телескопа на орбиту. Пока что, к сожалению, не совсем понятно, что это были за аномалии и как они могут повлиять на систему во время отправки ее в космос. Окончательные выводы будут сформированы агентством в конце этого месяца.
В середине этого года «Джеймс Уэбб» будет отправлен в один из филиалов компании Нортроп-Грумман для финальной сборки и соединения с солнечным экраном, а также системой маневрирования на орбите. Перед этим оптическая система телескопа и научные инструменты будут тестироваться в термальной вакуумной камере Космического Центра Джонсона.
Пока что участники программы выказывают оптимизм. «Мы не думаем, что столкнемся с чем-то, что будет сложно исправить», - говорит Пол Герц.
Астрономы могут готовить свои предложения по работе с телескопом
На 229 встрече Американского астрономического сообщества представители проекта сообщили о том, что ученые могут начать подавать заявки относительно предлагаемых методов эксплуатации телескопа. Непосредственная работа телескопа начнется в апреле 2019 года, спустя полгода после запланированного запуска этой системы. В течение полугода будут выполняться различные тестовые процедуры и проверки, если все пройдет, как запланировано, то ученые смогут реализовать свои идеи.«Меня это впечатляет», - говорит Эрик Смит, руководитель программы. Дело в том, что все прошедшие годы команда занималась исключительно технической стороной дела, а не наукой. А теперь можно переходить к финальному этапу и заниматься научной работой. «Этот год дает возможность научному сообществу вернуться к работе над программой».
На встрече, о которой шла речь выше, руководство программы заявило, что ученые, которые принимали участие в разработке инструментов, программного обеспечения или различных функций телескопа «Джеймс Уэбб», смогут получить гарантированное время работы с телескопом. Кроме того, ранний доступ к возможностям системы будет предоставлен тем ученым, которые подадут интересные заявки, обеспечивающие возможность демонстрации полной функциональности телескопа для научного сообщества. В результате другие ученые смогут понять, как лучше всего использовать функциональность «Джеймса Уэбба» для наблюдений за Вселенной, и отправят собственные предложения. Во всяком случае, такова задумка. «Обычные» предложения ученые смогут отправлять в конце 2017 года.
Сейчас же специалисты, которые принимают участие в разработке системы, продолжают проводить тестирование телескопа, включая оптическую часть и научные инструменты. Проверки производятся в Центре космических полетов имени Годдарда .
Компоненты телескопа и его возможности
«Джеймс Уэбб» очень сложная система, которая состоит из тысяч отдельных элементов. Они формируют зеркало телескопа и его научные инструменты. Что касается последних, то это такие устройства:- Камера ближнего инфракрасного диапазона (Near-Infrared Camera);
- Прибор для работы в среднем диапазоне инфракрасного излучения (Mid-Infrared Instrument);
- Спектрограф ближнего инфракрасного диапазона (Near-Infrared Spectrograph);
- Датчик точного наведения c устройством формирования изображения в ближнем инфракрасном диапазоне и бесщелевым спектрографом (Fine Guidance Sensor/Near InfraRed Imager and Slitless Spectrograph).
- обнаружение света от самых ранних звёзд и галактик на стадии их формирования;
- изучение звёздных населений в ближайших галактиках;
- изучение молодых звёзд Млечного Пути и объектов пояса Койпера;
- определение морфологии и цвета галактик при сильном красном смещении;
- определение кривых блеска дальних сверхновых;
- создание карты тёмной материи с помощью гравитационного линзирования;
- обнаружение «первого света»;
- обнаружение экзопланет;
- получение их характеристик;
- транзитная спектроскопия.
Что дальше?
По словам Эрика Смита, проект остается в рамках бюджета. Пока что все идет по плану и нет никаких препятствий, которые могли бы помешать запуску телескопа в октябре 2018 года. Единственная обнаруженная проблема - вибрационные аномалии - уже близка к разрешению, специалисты активно работают над тем, чтобы провести финальную локализацию проблемы и избавиться от нее. Но, конечно, сложности еще могут возникнуть. «Сейчас мы на той стадии программы, когда мы сталкиваемся с новыми вызовами, отличными от тех проблем, которые возникали до настоящего момента», - говорит Смит. Но, в тоже время, он уверен в силах команды: «Когда возникают проблемы, я уверен в том, что команда может решить их».С каждым дополнительным сантиметром апертуры, каждой дополнительной секундой времени наблюдения и каждым дополнительным атомом атмосферных помех, удаленным из поля обзора телескопа, лучше, глубже и понятнее можно будет увидеть Вселенную.
25 лет «Хабблу»
Когда телескоп «Хаббл» начал функционировать в 1990 году, он открыл новую эру в астрономии - космическую. Не нужно было больше бороться с атмосферой, беспокоиться об облаках или электромагнитных мерцаниях. Все, что требовалось, - это развернуть спутник на цель, стабилизировать его и собирать фотоны. За 25 лет космические телескопы начали охватывать весь электромагнитный спектр, что позволило впервые рассмотреть Вселенную на каждой длине волны света.
Но поскольку наше знание увеличилось, выросло и наше понимание неизвестного. Чем дальше мы заглядываем во Вселенную, тем более глубокое прошлое мы видим: конечное количество времени с момента Большого взрыва в сочетании с конечной скоростью света обеспечивает предел того, что мы можем наблюдать. Более того, расширение самого пространства работает против нас, растягивая звезд, пока он путешествует по Вселенной к нашим глазам. Даже космический телескоп «Хаббл», дающий нам самое глубокое, самое захватывающее изображение Вселенной, которое мы когда-либо открывали, в этом отношении ограничен.
Недостатки «Хаббла»
«Хаббл» - удивительный телескоп, но он имеет ряд принципиальных ограничений:
- Всего 2,4 м в диаметре, что ограничивает его
- Несмотря на покрытие светоотражающими материалами, он постоянно находится под прямыми солнечными лучами, которые его нагревают. Это значит, что из-за тепловых эффектов он не может наблюдать длину волны света более 1,6 мкм.
- Сочетание ограниченной светосилы и длин волн, к которым он чувствителен, означает, что телескоп может видеть галактики возрастом не старше 500 млн лет.
Эти галактики прекрасны, далеки и существовали тогда, когда Вселенной было всего около 4% от ее нынешнего возраста. Но известно, что звезды и галактики существовали еще раньше.
Чтобы увидеть должен обладать более высокой чувствительностью. Это означает переход на более длинные волны и более низкие температуры, чем у «Хаббла». Именно поэтому и создается космический телескоп Джеймса Вебба.
Перспективы для науки
James Webb Space Telescope (JWST) предназначен для преодоления именно этих ограничений: с диаметром 6,5 м телескоп позволяет собирать в 7 раз больше света, чем "Хаббл". Он открывает возможность ультра-спектроскопии высокого разрешения от 600 нм до 6 мкм (в 4 раза больше длины волны, которую способен увидеть "Хаббл"), проводить наблюдения в средней инфракрасной области спектра с более высокой чувствительностью, чем когда-либо прежде. JWST использует пассивное охлаждение до температуры поверхности Плутона и способен активно охлаждать приборы средней инфракрасной области вплоть до 7 K. Телескоп Джеймса Вебба даст возможность заниматься наукой так, как никто раньше этого не делал.
Он позволит:
- наблюдать самые ранние галактики, когда-либо сформировавшиеся;
- видеть сквозь нейтральный газ и зондировать первые звезды и реионизацию Вселенной;
- проводить спектроскопический анализ самых первых звезд (населения III), образовавшихся после Большого взрыва;
- получить удивительные сюрпризы, подобные открытию самых ранних и квазаров во Вселенной.
Уровень научных исследований JWST не похож ни на что в прошлом, и поэтому телескоп был избран в качестве флагманской миссии НАСА 2010-х годов.
Научный шедевр
С технической точки зрения, новый телескоп Джеймса Вебба представляет собой настоящее произведение искусства. Проект прошел долгий путь: были перерасходы бюджета, отставания от графика и опасность отмены проекта. После вмешательства нового руководства все изменилось. Проект вдруг заработал как часы, были выделены средства, учтены ошибки, неудачи и проблемы, и команда JWST стала укладываться во все сроки, графики и бюджетные рамки. Запуск аппарата запланирован на октябрь 2018 года на ракете «Ариан-5». Команда не только следует расписанию, у нее есть девять месяцев в запасе, чтобы учесть все непредвиденные ситуации, чтобы все было собрано и готово к этой дате.
Телескоп Джеймса Вебба состоит из 4 основных частей.
Оптический блок
Включает все зеркала, из которых наиболее эффективны восемнадцать первичных сегментированных позолоченных зеркала. Они будут использоваться для сбора далекого звездного света и фокусирования его на инструментах для анализа. Все эти зеркала в настоящее время готовы и безупречны, сделаны точно по расписанию. По окончании сборки они будут сложены в компактную конструкцию, чтобы быть запущенными на расстояние более 1 млн км от Земли до точки Лагранжа L2, а затем автоматически развернуться с образованием сотовой структуры, которая долгие годы будет собирать сверхдальний свет. Это действительно красивая вещь и успешный результат титанических усилий многих специалистов.
Камера ближнего инфракрасного диапазона
«Вебб» оборудован четырьмя научными инструментами, которые уже готовы на 100%. Основной камерой телескопа является камера ближнего ИК-диапазона: от видимого оранжевого света до глубокой инфракрасной области. Она позволит получить беспрецедентные изображения самых ранних звезд, самых молодых галактик, находящихся еще в процессе формирования, молодых звезд Млечного Пути и близлежащих галактик, сотен новых объектов в поясе Койпера. Она оптимизирована для непосредственного получения изображений планет вокруг других звезд. Это будет основная камера, используемая большинством наблюдателей.
Ближний инфракрасный спектрограф
Данный инструмент не только разделяет свет на отдельные длины волн, но способен это делать для более 100 отдельных объектов одновременно! Этот прибор будет универсальным спектрографом «Вебба», который способен работать в 3-х различных режимах спектроскопии. Он был построен но многие компоненты, включая детекторы и батарея мульти-затвора, предоставлены Центром космических полетов им. Годдарда (НАСА). Этот прибор был протестирован и готов к установке.
Средне-инфракрасный инструмент
Прибор будет использоваться для широкополосной визуализации, то есть с его помощью будут получены наиболее впечатляющие изображения со всех инструментов «Вебба». С научной точки зрения, он будет наиболее полезным при измерении протопланетных дисков вокруг молодых звезд, измерении и визуализации с беспрецедентной точностью объектов пояса Койпера и пыли, разогретой светом звезд. Он будет единственным инструментом с криогенным охлаждением до 7 К. По сравнению с космическим телескопом Spitzer, это позволит улучшить результаты в 100 раз.
Бесщелевой спектрограф ближнего ИК-диапазона (NIRISS)
Прибор позволит производить:
- широкоугольную спектроскопию в ближней инфракрасной области длин волн (1,0 - 2,5 мкм);
- гризм-спектроскопию одного объекта в видимом и инфракрасном диапазоне (0,6 - 3,0 мкм);
- апертурно-маскирующую интерферометрию на длинах волн 3,8 - 4,8 мкм (где ожидаются первые звезды и галактики);
- широкодиапазонную съемку всего поля зрения.
Этот инструмент создан Канадским космическим агентством. После прохождения криогенного тестирования он также будет готов к интеграции в приборный отсек телескопа.
Солнцезащитное устройство
Космические телескопы ими еще не оборудовались. Одной из самых пугающих сторон каждого запуска является применение совершенно нового материала. Вместо того, чтобы охлаждать весь космический аппарат активно с помощью одноразового расходуемого хладагента, телескоп Джеймса Вебба использует совершенно новую технологию - 5-слойный солнцезащитный экран, который будет развернут для отражения солнечного излучения от телескопа. Пять 25-метровых листов будут соединены титановыми стержнями и установлены после развертывания телескопа. Защита тестировалась в 2008 и 2009 годах. Полномасштабные модели, участвовавшие в лабораторных испытаниях, выполнили все, что они должны были сделать, здесь на Земле. Это красивая инновация.
К тому же это еще и невероятная концепция: не просто блокировать свет от Солнца и поместить телескоп в тени, а сделать это таким образом, чтобы все тепло излучалось в направлении, противоположном ориентации телескопа. Каждый из пяти слоев в вакууме космоса будет становится холодным по мере удаления от наружного, который будет немного теплее, чем температура поверхности Земли - около 350-360 K. Температура последнего слоя должна опуститься до 37-40 К, что холоднее, чем ночью на поверхности Плутона.
Кроме того, предприняты значительные меры предосторожности для защиты от неблагоприятной среды глубокого космоса. Одной из вещей, о которых здесь следует беспокоиться, являются крошечные камешки, размером с гальку, песчинки, пылинки и еще меньше, пролетающие через межпланетное пространство со скоростью десятков или даже сотен тысяч км/ч. Эти микрометеориты способны проделывать крошечные, микроскопические отверстия во всем, с чем они сталкиваются: космических аппаратах, костюмах космонавтов, зеркалах телескопов и многом другом. Если зеркала получат только вмятины или отверстия, что слегка уменьшит количество доступного «хорошего света», то солнечный щит может порваться от края до края, что сделает весь слой бесполезным. Для борьбы с этим явлением была использована блестящая идея.
Весь солнечный щит был разделен на участки таким образом, что, если возникнет небольшой разрыв в одном, двух или даже трех из них, слой не порвется дальше, как трещина в лобовом стекле автомобиля. Секционирование сохранит всю структуру целой, что важно для предотвращения деградации.
Космический аппарат: системы сборки и управления
Это самый обычный компонент, так как есть у всех космических телескопов и научных миссий. У JWST он уникален, но также полностью готов. Все, что осталось сделать генеральному подрядчику проекта компании Northrop Grumman, - закончить щит, собрать телескоп и проверить его. Аппарат будет готов к запуску через 2 года.
10 лет открытий
Если все пойдет правильно, человечество окажется на пороге больших научных открытий. Завеса нейтрального газа, которая до сих пор заслоняла обзор самых ранних звезд и галактик, будет устранена инфракрасными возможностями «Вебба» и его огромной светосилой. Это будет самый большой, самый чувствительный телескоп с огромным диапазоном длин волн от 0,6 до 28 микрон (человеческий глаз видит от 0,4 до 0,7 мкм) из когда-либо построенных. Ожидается, что он обеспечит десятилетие наблюдений.
Согласно НАСА, срок миссии «Вебба» составит от 5,5 до 10 лет. Он ограничен количеством топлива, которое необходимо для поддержания орбиты, и сроком службы электроники и оборудования в суровых условиях космоса. Орбитальный телескоп Джеймса Вебба будет нести запас топлива на весь 10-летний срок, а через 6 месяцев после запуска будет произведено тестирование обеспечения полета, которое гарантирует 5 лет научных работ.
Что может пойти не так?
Основным ограничивающим фактором является количество топлива на борту. Когда оно закончится, спутник будет дрейфовать в сторону от L2, выйдя на хаотическую орбиту в непосредственной близости от Земли.
Коме этого, могут произойти и другие неприятности:
- деградация зеркал, которая повлияет на количество собираемого света и создаст артефакты изображения, но не повредит дальнейшей эксплуатации телескопа;
- выход из строя части или всего солнечного экрана, что приведет к повышению температуры космического аппарата и сузит используемый диапазон длин волн до очень близкой инфракрасной области (2-3 мкм);
- поломка системы охлаждения инструмента среднего ИК-диапазона, что сделает его непригодным для использования, но не повлияет на другие инструменты (от 0,6 до 6 мкм).
Наиболее тяжелое испытание, которое ожидает телескоп Джеймса Вебба, - запуск и выведение на заданную орбиту. Именно эти ситуации тестировались и были успешно пройдены.
Революция в науке
Если телескоп Вебба заработает в штатном режиме, топлива хватит, чтобы обеспечить его работу с 2018 по 2028 год. Кроме того, существует потенциальная возможность дозаправки, которая могла бы увеличить срок службы телескопа еще на одно десятилетие. Подобно тому, как «Хаббл» эксплуатировался в течение 25 лет, JWST мог бы обеспечить поколение революционной науки. В октябре 2018 года ракета-носитель «Ариан-5» выведет на орбиту будущее астрономии, которое после более 10 лет напряженной работы уже готово начать приносить плоды. Будущее космических телескопов почти наступило.
Агентство NASA сегодня подтвердило планы по проекту телескопа Джеймс Уэбб. Руководство заявило, что и текущий бюджет, и планы по запуску космического телескопа на 2018 год актуальны. Стоит отметить, что в самом агентстве рассматривают этот телескоп, скорее, как следующую модель Хаббла, чем его замену.
Возможности телескопа значительно превышают возможности Хаббла. «Джеймс Уэбб» будет обладать составным зеркалом 6,5 метров в диаметре (диаметр зеркала «Хаббла» - 2,4 метра) с площадью собирающей поверхности 25 м² и солнечным щитом размером с теннисный корт. Телескоп будет размещён в точке Лагранжа L2 системы Солнце - Земля.
Джеймс Уэбб сможет совершить путешествие в далекое прошлое Вселенной - на время от 100 до 250 млн лет после Большого Взрыва. Другими словами, новый телескоп сможет заглянуть значительно дальше в глубины космического пространства, чем Хаббл, который может «путешествовать» не далее, чем на 800 млн - 1 млрд лет после Большого Взрыва. Кроме того, Уэбб не «заточен» под видимый свет, его специализация - инфракрасный спектр. Тем не менее, Джеймс Уэбб может фиксировать и излучение, видимое глазу человека.
Моделирование того, что «увидит» телескоп Джеймс Уэбб и что видит Хаббл в одной и той же точке пространства
Сложности реализации проекта
Основная проблема таких крупных проектов, как Джеймс Уэбб и Хаббл - бюджет. Что первый, что второй проект вышли за бюджетные рамки. Но, поскольку значительная часть бюджета уже освоена, ничего не остается, кроме как продолжать реализацию планов.
В случае с Хабблом ситуация была усложнена еще и тем фактом, что зеркало было изначально неправильно установлено. Это повлияло на возможности телескопа, и прошло много времени, чем ошибка была подкорректирована при помощи внешней экспедиции, во время которой были установлены коррекционные линзы.
Что касается Джеймса Уэбба - здесь ошибка непростительна. Как уже говорилось выше, новый телескоп планируется установить в точке Лагранжа L2. Если что-то пойдет не так, о проекте придется забыть. Тем не менее, шансы на успешную реализацию проекта довольно значительны.
Телескоп «Джеймс Уэбб»
Космические телескопы всегда будут на острие познания космоса - им не мешает ни с ее искажениями и облачностью, ни вибрации и шумы на поверхности планеты. Именно внеземные устройства позволили получить детальные и красивые фотографии отдаленных туманностей и галактик, которые даже не видны человеческому глазу на ночном небе. Однако в 2018 году начнется новая эпоха в изучении космоса, которая отодвинет дальше видимые границы Вселенной - будет запущен космический телескоп «Джеймс Уэбб», рекордсмен индустрии. Причем рекорды от бьет не только по характеристикам: стоимость проекта на сегодняшний день достигает 8,8 миллиарда долларов.
Прежде чем говорить об устройстве и функционале «Джеймса Уэбба», стоить разобраться, для чего он нужен. Казалось бы, изучению Вселенной мешает всего-то одна атмосфера Земли, и можно попросту доставить телескоп с прикрученной к нему камерой на орбиту и радоваться жизни. Но при этом «Джеймса Уэбба» разрабатывают уже больше десятка лет, а итоговый бюджет еще на стадии раннего проецирования превысил стоимость его предшественника, ! Следовательно, орбитальный телескоп - это нечто более сложное, чем любительская подзорная труба на треноге, и его открытия будут в сотни раз ценнее. Но что такого особенного можно исследовать телескопом, тем более космическим?
Подняв голову к небу, каждый может увидеть звезды. Но изучение отдаленных на миллиарды километров объектов - достаточно сложная задача. Свет звезд и галактик, который движется миллионами, а то и миллиардами лет, претерпевает значительные изменения - а то и вовсе не доходит до нас. Так, пылевые облака, которые часто распространены в галактиках, способны полностью поглотить все видимое излучение звезды. Еще непрестанное расширение Вселенной приводит к света - его волны стают длиннее, изменяя диапазон в сторону красного, или же невидимого инфракрасного. А сияние даже самых больших объектов, пролетев расстояние в миллиарды световых лет, становится подобно свету карманного фонарика среди сотен прожекторов - для обнаружения сверхотдаленных галактик требуются приборы невиданной чувствительности.